JP2007208490A - 水晶発振器 - Google Patents

Abstract

【目的】水晶振動子の等価並列容量を相殺し、設計を容易にして例えば周波数可変幅を広げて雑音の少ない高周波水晶発振器を提供する。
【構成】増幅率を１以上とした発振用増幅器と前記発振用増幅器の入出力間を正帰還とする帰還回路とからなり、前記帰還回路には等価並列容量を有する水晶振動子及び前記水晶振動子の両端子間に設けられて前記等価並列容量を相殺する中和回路とを備えた水晶発振器において、
前記中和回路は第１及び第２電流反転回路との出力側が前記水晶振動子の両端子間に接続し、前記第１及び第２電流反転回路との入力側の間に中和コンデンサを接続してなり、
前記第１及び第２電流反転回路は前記等価並列容量の電流と同一方向とした中和コンデンサの電流方向を反転し、前記中和回路の両端子間の電流を前記等価並列容量及び前記中和コンデンサの電流とは逆向きにしたことを特徴とする水晶発振器。
【選択図】図１

Description

本発明は水晶振動子の等価並列容量を相殺した水晶発振器を技術分野とし、特に高周波用として設計を容易にした水晶発振器に関する。

（発明の背景）
水晶発振器は周波数や時間の基準源として各種の電子機器に内臓され、情報化時代には必須の電子部品として有用されている。このようなものの一つに、水晶振動子の等価並列容量Ｃoを相殺して、例えば周波数可変幅を大きくし、雑音を抑えたものがある（特許文献１及び２参照）。

（従来技術の一例）
第３図は一従来例を説明する図で、同図（ａ）は水晶発振器の基本的な回路図、同図（ｂ）は水晶振動子のリアクタンス特性（共振特性）図である。

水晶発振器は、周知されるように増幅率を１以上とした発振用増幅器１と入出力間を正帰還とする帰還回路２を備える。発振用増幅器１は帰還抵抗３を有する例えばＣＭＯＳとしたインバータ（反転）増幅素子とする。帰還回路２は電気的な等価回路で示す水晶振動子４と分割コンデンサＣａ、Ｃｂとの共振回路からなり、位相を１８０度反転して発振用増幅器１の出力を入力側に正帰還とする。

水晶振動子４の電気的な等価回路は、等価直列抵抗Ｒ1、同直列容量Ｃ1、同直列インダクタＬ1（直列腕）と等価並列容量Ｃo（並列腕）からなる。これによるリアクタンス特性（共振特性）は、直列腕による直列共振点ｆs、及び直列腕と並列腕による並列共振点ｆpを有し、ここでは直列共振点ｆsと並列共振点ｆpとの間の誘導性領域（インダクタ成分）で動作する。

すなわち、インダクタ成分としての水晶振動子４と分割コンデンサＣａ、Ｃｂとで共振回路を形成し、これによる共振周波数を発振用増幅器１が増幅して発振を維持する（いわばコルピッツ型）。但し、発振周波数は発振用増幅器１等の容量も加味されるので、厳格には水晶振動子４から見た回路全体の容量との共振周波数になる。

この場合、水晶振動子４の誘導性領域（インダクタ成分）は、前述のように直列共振点ｆsと並列共振点ｆpとの間に基本的に限られるため、分割コンデンサＣａ、Ｃｂを変化させたとき、周波数の可変範囲が狭くなる。また、幅広い周波数成分は、等価並列容量Ｃo（並列腕）に通過するので、余計な雑音が増えることにもなる。

ここで、特許文献１や２では、第４図に示したように、水晶振動子４の両端子間に帰還抵抗３を有する反転増幅器５と中和コンデンサＣmとからなる中和回路を設け、水晶振動子４の等価並列容量Ｃoを相殺することを提案している。この場合、発振用増幅器１及び反転増幅器５の増幅率Ｋ1、Ｋ2、中和コンデンサＣmと等価並列容量Ｃoとは次の関係式になる。

すなわち、発振用増幅器１の入力電圧をＶiとすると、中和コンデンサＣm、等価並列容量Ｃoの端子間電圧Ｖm、Ｖcoは次になる。
Ｖm＝Ｖi−Ｋ1・Ｋ2・Ｖi＝（１−Ｋ1・Ｋ2）Ｖi
Ｖc0＝Ｖi−Ｋ1・Ｖi＝（１−Ｋ1）Ｖi
これにより、中和コンデンサＣm、等価並列容量Ｃoの電流ｉm、ｉco、及び電流比ｉm／ｉcoは次になる。
ｉm＝ｊωＣm・（１−Ｋ1・Ｋ2）Ｖi
ｉco＝ｊωＣo・（１−Ｋ1）Ｖi
ｉm／ｉco＝Ｃm・（１−Ｋ1・Ｋ2）／Ｃo・（１−Ｋ1）

ここで、中和コンデンサＣm、等価並列容量Ｃoの電流ｉm、ｉcoが逆向きで同量であれば、即ちｉm／ｉco＝−１であれば互いに相殺される。換言すると、中和コンデンサＣmによって等価並列容量Ｃoが相殺されたことになる。このことから、等価並列容量Ｃoを相殺するためには、中和コンデンサＣmは次の関係式を満足することが求められる。
Ｃm＝−{（１−Ｋ1）／（１−Ｋ1・Ｋ2）}Ｃo
特開２００１−２１７６４９号公報 特開２００３−１５２４５４号公報

（従来技術の問題点）
しかしながら、上記構成の水晶発振器では、発振用増幅器１の増幅率Ｋ1は−１以上（負方向）なので、分子は正となる。したがって、分母の１−Ｋ1・Ｋ2は少なくとも負になる必要があることから、即ち１−Ｋ1・Ｋ2＜０、要するにＫ1・Ｋ2＞１であることが求められる。このため発振用増幅器１と反転増幅器５とが正帰還になるとともに、両者の増幅率をＫ1・Ｋ2＞１とするので、自励発振を引き起こす問題があった。

また、等価並列容量Ｃoを相殺する中和容量値Ｃmは、等価並列容量Ｃo及び反転増幅器５の増幅率Ｋ2のみならず、発振用増幅器１の増幅率Ｋ1にも依存する。しかし、発振用増幅器１の増幅率Ｋ1は、起動時における発振の成長初期では増幅率が大きく、発振の成長とともに除々に小さくなって、発振成長後の定常時は一定の増幅率になる。ちなみに、発振成長初期の増幅率は定常時に比較して数十〜数百倍になる。

このため、定常時の発振用増幅器１の増幅率Ｋ1を基準として中和コンデンサＣmの値を設定すると、起動時での中和効果は定常時の場合よりも大きくなって、過剰中和となり、インダクタ成分となる。これにより、例えば分割コンデンサＣａ、Ｃｂと共振回路を形成して自励発振を引き起こす。これとは逆に、起動時の増幅率Ｋ1を考慮して中和コンデンサＣmを設定すると、中和不足となって並列容量Ｃoを充分に相殺できなくなる問題があった。

さらには、中和コンデンサＣmは、発振用増幅器１の入力端と反転増幅器５の出力端との間の容量で、中和コンデンサＣmに流れるキャンセル電流は第５図に示したように、発振用増幅器１の入力側から見た並列容量Ｃoは相殺できても、出力側から見た並列容量Ｃoは相殺できないので、厳密に言えば、水晶振動子４の並列容量を完全に相殺するものではない。

（発明の目的）
本発明は水晶振動子等価並列容量を中和し、例えば周波数可変幅を広げて雑音の少ない設計を容易にした水晶発振器を提供することを目的とする。

本発明は、特許請求の範囲（請求項１）に示したように、増幅率を１以上とした発振用増幅器と前記発振用増幅器の入出力間を正帰還とする帰還回路とからなり、前記帰還回路には等価並列容量を有する水晶振動子及び前記水晶振動子の両端子間に設けられて前記等価並列容量を相殺する中和回路とを備えた水晶発振器において、前記中和回路は第１及び第２電流反転回路との出力側が前記水晶振動子の両端子間に接続し、前記第１及び第２電流反転回路との入力側の間に中和コンデンサを接続してなり、前記第１及び第２電流反転回路は前記等価並列容量の電流と同一方向とした中和コンデンサの電流方向を反転し、前記中和回路の両端子間の電流を前記等価並列容量及び前記中和コンデンサの電流とは逆向きにした構成とする。

このような構成であれば、水晶振動子両端から中和回路を見たとき、中和回路は等価並列容量（Ｃo）に対して負性容量（−Ｃ）のように動作する。したがって、水晶振動子の等価並列容量（Ｃo）を容易に相殺できることから、直列共振点ｆsと並列共振点ｆpとの間の誘導性領域を容易に広げて、発振周波数の可変幅を大きくできる。特に、電圧制御発振器とした場合は、可変範囲が大きくなって有用となる。

また、等価並列容量Ｃoがキャンセルされるので、並列腕による雑音を抑制できる。なお、この場合、等価並列容量Ｃoによるミラー効果が発振用増幅器の入力側に生じないので、発振用増幅器の増幅率の低下を防止する効果をも奏する。したがって、雑音を抑制した安定な水晶発振器を得る。この場合、特に、高周波になるほど効果が大きい。

また、中和回路は負性容量（-Ｃo）のように振る舞うので、発振用増幅器と中和回路とは閉ループを形成するものの、正帰還にはならない、自励発振は生じない。そして、中和された容量値は、後述の実施形態で述べるように第１及び第２電流反転回路の電流比と中和容量値とで一義的に決まるので、発振用増幅器の増幅率には依存しない。

したがって、特に起動時の大きく変化する増幅率を考慮することがないので、安定した発振起動が可能となる。このように、本発明では、水晶振動子の等価並列容量を相殺できることから、例えば周波数可変幅を広げて雑音の少ない設計を容易にした水晶発振器を提供できる。なお、これらの場合、実施形態で述べるように、前記第１及び第２電流反転回路は同一特性を持ち、且つ、入出力電流比は簡単に設定できるものが好ましい。

第１図は本発明の一実施形態を説明する水晶発振器の回路図で、同図（ａ）は概念的（等価的）回路図、同図（ｂ）は具体例である。なお、前従来例と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。

水晶発振器は前述したように反転型の発振用増幅器１とその入出力間を正帰還とする帰還回路２を備える。帰還回路２は等価回路で示す水晶振動子４と分割コンデンサＣａ、Ｃｂとからなる共振回路を有し、さらに水晶振動子４の等価並列容量Ｃoを相殺する中和回路を付加してなる。中和回路は前述同様に水晶振動子４の両端子間に設けられ、本発明では第１及び第２電流反転回路６、７と両者間に接続した中和コンデンサＣmとからなる。

この場合、第１及び第２電流反転回路６、７の出力側が水晶振動子４の両端子間に、入力側に中和コンデンサＣmが接続する。そして、中和コンデンサＣmと水晶振動子４の等価並列容量Ｃoには同一方向の電流が流れるとし、第１及び第２電流反転回路６、７はそれぞれ入出力間で反転した逆向きの電流が流れ、中和回路の両端子間では水晶振動子４の等価並列容量Ｃoの電流と逆向きの電流が流れる。「第１図（ａ）」。

ここでの第１及び第２電流反転回路６、７は、第１図（ｂ）に示したように、いずれも２入力端子と１出力端子を有する第１及び第２差動増幅器６ａ、７ａからなる。第１及び第２差動増幅器６ａ、７ａの２入力端子（±）のうちの任意一方例えば−入力端子は水晶振動子４の両端側に接続し、他方の＋出力端子間には中和コンデンサＣmが接続する。

そして、第１及び第２差動増幅器６ａ、７ａの各２入力端子（±）と各出力端子との間には帰還抵抗Ｒx、Ryが接続する。但し、第１及び第２差動増幅器６ａ、７ａの帰還抵抗Ｒyは中和コンデンサＣm側の入力端子（＋）と各出力端子との間に、帰還抵抗Ｒxは他方の入力端子（−）と各出力端子と間に接続する。

このようなものでは、中和コンデンサＣmの電流ｉm（＝ｉ2）、第１及び第２差動増幅器６ａ、６ｂの各帰還抵抗Ｒx、Ｒyの電流ｉ1、ｉ2は次式（段落００２７〜００２８）になる。但し、第１及び第２差動増幅器６ａ、７ａの一方の入力端子（−）の入力電圧をＶa1、Ｖa2、他方の入力端子（＋）の入力電圧をＶb1、Ｖb2、各出力電圧をＶd1、Ｖd2とし、中和コンデンサＣmの端子間電圧をＶb1b2、同インピーダンスをＺb1b2とする。

ｉm＝Ｖb1b2／Ｚb1b2
ｉ1＝−（Ｖa1−Ｖd1）／Ｒx
ｉ2＝−（Ｖb1−Ｖd1）／Ｒy＝−（Ｖa1−Ｖd1）／Ｒy

したがって、電流比ｉ1／ｉ2及びｉ1は次になる。
ｉ1／ｉ2＝Ｒy／Ｒx、ｉ1＝ｉ2・Ｒy／Ｒx

水晶振動子４の両端から中和回路を見たインピーダンスＺa1、a2、及び中和コンデンサの両端子間のインピーダンスＺb1、b2は次になる。
Ｚa1、a2＝（Ｖa1−Ｖa2）／−ｉ1
Ｚb1、b2＝（Ｖb1−Ｖb2）／ｉ2＝（Ｖa1−Ｖa2）／ｉ2
但し、差動増幅器の入力端子間は仮想短絡なので、上記ではＶa1＝Ｖb1、Ｖa2＝Ｖb2の関係を用いた。

したがって、中和回路の両端（中和回路側）と中和コンデンサのインピーダンス比Ｚa1、a2／Ｚb1、b2は次になる。
Ｚa1、a2／Ｚb1、b2＝−ｉ2／ｉ1＝−Ｒx／Ｒy
ここで、Ｚb1、b2＝１／ｊωＣmであるから、下式になる。
Ｚa1、a2＝−Ｒx／Ｒy・（１／ｊωＣm）＝−Ｒx／（Ｒy・ｊωＣm）

これらのことから、水晶振動子４の等価並列容量Ｃoによるインピーダンスを相殺するためには、
Ｚa1、a2＝−１／ｊωＣoとすればよい。
即ち、Ｚa1、a2＝−Ｒx／（Ｒy・ｊωＣm）＝−１／ｊωＣoとすればよい。
したがって、次の関係式を満たせば、等価並列容量Ｃoを相殺できる。
Ｃm＝Ｃo・Ｒx／Ｒy

要するに、第１及び第２差動増幅器６ａ、６ｂの帰還抵抗Ｒx、Ｒyの抵抗比、即ち電流反転回路の電流比（Ｒｘ/Ｒｙ）と中和コンデンサＣmを設定するのみで、等価並列容量Ｃoを簡単に中和できる。ここで、例えば、帰還抵抗Ｒx、Ｒyの抵抗比比Ｒx／Ｒyが２：１とすると、中和コンデンサ容量値Ｃmを２Ｃoにすることで、水晶振動子４の等価並列容量Ｃoを完全に相殺できる。

このような構成であれば、効果の欄でも述べたように、容量中和回路の電流反転回路の電流比（Ｒｘ/Ｒｙ）と中和コンデンサの容量値Ｃｍを設定するのみで、振動子の等価並列容量（Ｃo）を容易に中和できるため、設計を容易にする。発振用増幅器の増幅率は中和機能には関与せず、起動時の発振用増幅器１の増幅率Ｋ1の変動に起因した中和回路の誘導性（中和過剰）及び容量性（中和不足）等の弊害を防止する。

また、中和回路は−Ｒx／（Ｒy・ｊωＣm）ように振る舞いので、発振用増幅器と中和回路とは閉ループを形成するものの、正帰還にはならないので自励発振は生じない等の効果を生じる。これらのことから、水晶振動子の等価並列容量を容易に相殺し、設計を容易にして例えば周波数可変幅を広げて雑音の少ない、安定した高周波水晶発振器を提供できる。

（他の事項）
上記実施形態では、発振用増幅器１は反転増幅器（インバータ）としたが、同相増幅器としてもよい。この場合、分割コンデンサＣａ、Ｃｂは除去して位相反転機能は持たない水晶振動子４のみとして、発振用増幅器１の入出力間でのみ同相とするいわゆる帰還型とする。

本発明の一実施形態を説明する水晶発振器の図で、同図（ａ）は概念的（等価的）回路図、同図（ｂ）は具体的回路図である。 本発明の作用を説明する水晶発振器の等価回路図である。 従来例を説明する図で、同図（ａ）は水晶発振器の回路図、同図（ｂ）は水晶振動子のリアクタンス特性図である。 従来例を説明する水晶発振器の回路図である。 従来例を説明する水晶発振器の等価回路図である。

符号の説明

１ 発振用増幅器、２ 帰還回路、３ 帰還抵抗、４ 水晶振動子（等価回路）、５ 反転増幅器、６、７ 電流反転回路。

Claims (2)

1. 増幅率を１以上とした発振用増幅器と前記発振用増幅器の入出力間を正帰還とする帰還回路とからなり、前記帰還回路には等価並列容量を有する水晶振動子及び前記水晶振動子の両端子間に設けられて前記等価並列容量を相殺する中和回路とを備えた水晶発振器において、
   前記中和回路は第１及び第２電流反転回路との出力側が前記水晶振動子の両端子間に接続し、前記第１及び第２電流反転回路との入力側の間に中和コンデンサを接続してなり、
   前記第１及び第２電流反転回路は前記等価並列容量の電流と同一方向とした中和コンデンサの電流方向を反転し、前記中和回路の両端子間の電流を前記等価並列容量及び前記中和コンデンサの電流とは逆向きにしたことを特徴とする水晶発振器。
2. 前記第１及び第２電流反転回路はいずれも２入力端子と１出力端子を有する第１及び第２差動増幅器からなり、前記第１及び第２差動増幅器の２入力端子のうちの一方の入力端子は前記水晶振動子の両端側に接続し、前記中和コンデンサは前記第１及び第２差動増幅の他方の入力端子との間に接続し、前記第１及び第２差動増幅器の各２入力端子と各１出力端子との間には帰還抵抗が接続した請求項１の水晶発振器。

Images